JP4899439B2 - 弾性映像信号の非相関度を減少させて超音波映像を形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は超音波信号を用いた映像形成方法に関し、時間または空間によって変化する弾性映像信号の非相関度を減少させて映像を具現する超音波映像形成方法に関する。

超音波映像形成装置は、超音波信号を診断しようとする対象体、例えば人体に向かって送信し、反射された超音波信号から対象体の映像を得て表示する装置であって、医療分野で広く用いられている。

超音波映像は、組織間のインピーダンス差による反射係数を用いるＢ−モードにより、主に表現される。しかし、腫瘍や癌組織のように周囲の組織と比較して反射係数の差がない部分は、超音波映像による観察が容易ではない。これに対して、組織の機械的な特性を映像化する弾性映像法は、Ｂ−モード映像で診断することができない組織の機械的な性質を映像化するので、病変の診断に大きく役立つ。

弾性映像法は、超音波診断装置から入力されるＲＦデータを用いて相互相関（ｃｒｏｓｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）係数を求める方法と、複素数の基底帯域信号を用いて自己相関（ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）係数を計算して位相差から変位を計算する方法とに分けられる。

後者は基底帯域信号を用いることによってＲＦデータを用いる場合より少ない量のデータを計算することができ、計算速度を増加させることができる長所がある。しかし、自己相関法を通じて計算される値は、時間に対する値ではなく位相の値であるので、これを再び時間に変換する過程が必要である。位相値を時間値に変換させるために超音波送信信号の中心周波数を用いる。中心周波数は、対象体の深さによって変わるので、固定して用いる場合、誤差が発生する。また、自己相関で位相を計算する場合、二つの信号間の位相差が超音波送信信号波長の１／２より大きければ、エイリアシング（ａｌｉａｓｉｎｇ）が発生するので、これを補償するための過程を追加する必要がある。併せて、対象体の深さが増加するほど位相差が大きくなるので、比較しようとする信号の形状が変わり、非相関度（ｄｅ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）が大きなデータを用いるようになるので、誤差が大きくなる。

本発明は、時間または空間によって変化する弾性映像信号の非相関度を減少させて映像を具現する超音波映像形成方法を提供する。特に、本発明は、組織の硬さの程度を測定する技術である弾性映像法（Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ）で圧縮前、圧縮後の信号間に非相関度を減少させて変位推定の誤差、即ち遅延時間推定の誤差を減らし、リアルタイム超音波医療用映像を形成する方法を提供する。特に、対象体の深さによって変わる中心周波数の変化を補償し、計算誤差を誘発する弾性映像信号間の非相関度を減少させて弾性映像を具現する超音波映像形成方法を提供する。

本発明の他の態様による超音波映像形成方法は、圧縮されていない対象体から反射された超音波信号から得られた第１受信信号と、圧縮された対象体から反射された超音波信号から得られた第２受信信号−前記第１受信信号及び第２受信信号の間の遅延時間は対象体の深さによって変わり、第１受信信号及び第２受信信号は多数の領域に分割される−の入力を受ける段階と、第１領域において前記第１受信信号と第２受信信号との間の第１遅延時間を推定する段階と、前記第１領域に隣接した第２領域の前記第１受信信号及び前記第２受信信号のうち選択されたいずれか一つを前記推定された第１遅延時間だけ移動させる段階と、前記移動が完了した後、前記第２領域内で相関度を用いて移動した信号と移動していない信号との間の第２遅延時間を計算する段階と、前記推定された第１遅延時間及び前記計算された第２遅延時間に基づいて前記第２領域で前記第１受信信号と前記第２受信信号の第３遅延時間を計算する段階と、前記第３遅延時間に基づいて前記対象体の超音波映像を形成する段階とを備える。

本発明の他の態様による超音波映像形成方法は、圧縮されていない対象体から反射された超音波信号から得られた第１受信信号と、圧縮された対象体から反射された超音波信号から得られた第２受信信号−前記第１受信信号及び第２受信信号の間の遅延時間は対象体の深さによって変わり、前記第１受信信号及び第２受信信号は多数の領域に分割され、前記第１受信信号及び第２受信信号は位相関数で表現される−を得る段階と、第１領域において第１受信信号と第２受信信号の位相差から第１遅延時間を推定する段階と、前記第１領域に隣接した第２領域の前記第１受信信号及び前記第２受信信号のうち選択されたいずれか一つを前記推定された第１遅延時間だけ移動させる段階と、前記移動が完了した後、前記第２領域内で相関度を用いて移動した信号と移動していない信号との間の相関度を求める段階と、前記相関道路から前記移動した信号と移動していない信号との間の第２遅延時間を計算する段階と、前記第１受信信号と前記第２受信信号のうちのいずれか一つの位相関数を微分して瞬時周波数を求める段階と、前記推定された第１遅延時間、前記計算された第２遅延時間及び前記瞬時周波数を用いて前記第２領域内で第１受信信号と第２受信信号の第３遅延時間を計算する段階と、前記第３遅延時間に基づいて前記対象体の超音波映像を形成する段階とを備える。

本発明によれば、対象体の深さによって変わる瞬時周波数を計算することによって、位相を時間値に変換する過程で発生する誤差を減らすことができる。

また、データの移動によりデータの相関度を高めてノイズを減少させることができ、位相のエイリアシングが発生することを防止することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

まず、単位面積当り加えられる力である応力、即ちストレスを印加する前に対象体に超音波を印加し基準信号を得て、対象体の表面にストレスを加えて対象体を圧縮しながらＲＦ受信信号を得る。

図１は、圧縮前と圧縮後、即ちストレス印加前、ストレス印加後の超音波信号形状を示している。対象体に圧縮を加えると、対象体内の各反射体が圧縮方向に移動する。このような反射体の移動によって圧縮される前と圧縮された後とを比較すると、超音波受信信号の移動が示される。従って、二つの信号間の移動、即ち遅延時間を計算することによって媒質の変位を求めることができる。このような変位は対象体の硬さによって変わるので、媒質の特性値を反映する。

一方、図１に示されているように、トランスデューサに近い所では信号の移動が小さいが、遠い所では変位が累積して信号間の移動が大きく示される。

組織に一定の圧力を一方向に加えれば、組織の硬さの程度によって変形された程度が異なるように示される。従って、外部または内部で印加された力に対して媒質の移動変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を計算し、変位の関数を微分して傾きを求めれば、変形率、即ち、ストレイン（ｓｔｒａｉｎ）を求めることができる。このストレイン値に基づいて弾性映像を構成する。

本発明の実施例では、変位を求めるために、圧縮前、圧縮後のＲＦ信号を復調して基底帯域（ｂａｓｅ ｂａｎｄ）のＩ／Ｑ信号に変え、自己相関を求めて位相差を計算する。

圧縮前、圧縮後の超音波受信信号を復調して得た基底帯域の複素信号は、式３及び式４の通りである。

ここで、‘ａｒｇ’は位相を求める関数であり、＜・＞は相関度を計算する関数である。式５においてφ（ｔ−τ）をテイラー級数（Ｔａｙｌｏｒ ｓｅｒｉｅｓ）で、１次項まで展開して次の式６を得ることができる。

これを式５に代入して整理すれば、位相差は近似的に次の式７のように表現される。

これを遅延時間τに対して整理すれば、式８が得られる。

式９において‘Ｔ’はサンプリング時間間隔である。ω_０≫ω_Ｂ（ｔ）ならば、次の式１０のような近似式で遅延時間を計算することができる。

しかし、超音波受信信号は広い周波数帯域幅を有し、対象体の深さによって周波数が変わるので、分母を定数である超音波送信の中心周波数ω_０に固定すれば誤差が生じる。

従って、次の方法のように基底帯域信号の瞬時周波数成分を考慮することによって、誤差を減らすことができる。対象体を圧縮する場合、対象体の深さが増加するほど対象体全体の変位が大きくなるので、比較しようとする信号の形状が変わる。これにより、非相関度が大きなデータを用いて計算するようになるので、誤差が大きくなる。これを改善するために、二つの信号の位相差で遅延時間を推定した後、遅延時間が減る方向に以前のウィンドーで既に推定された遅延時間だけ一つの信号を移動させた後、再び遅延時間を計算する。最終の遅延時間値は、以前のウィンドーで推定された遅延時間と移動後に計算された遅延時間の和で与えられる。これを図３ａ及び図３ｂを参照して詳細に説明する。

図３ａ及び図３ｂにおいてウィンドーｗ（ｔ−１）及びｗ（ｔ）は、それぞれ対象体の深さが相対的に浅い時と深い時の圧縮前、圧縮後の超音波受信信号（以下、信号という）を示すウィンドーである。前記深さは対象体内の反射体（組織）とプローブとの間の相対的深さでもよい。また、ウィンドーｗ（ｔ−１）及びｗ（ｔ）は、時間経過による圧縮前後の信号を示すウィンドーでもよい。

二つのウィンドーの比較を通じて分かるように、対象体の深さが相対的に深い時（時間の経過が大きい時）に位相差がより大きくなることが分かる。このような位相差がπ以上ならば、エイリアシングが発生する。二つのウィンドーが隣接した場合、二つのウィンドー内の信号の位相の差が大きくないので、エイリアシングを効果的に防止することができる。ここで、図３ａのウィンドーｗ（ｔ−１）内の圧縮前、圧縮後の受信信号の遅延時間がτ（ｔ−１）＝τ（ｔ）である時、それに隣接するウィンドーｗ（ｔ）内の圧縮前、圧縮後の受信信号の遅延時間の推定値をτ_１と仮定する。

図３ｂに示されているように、遅延時間推定値τ_１だけ線状補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）を用いて圧縮前の受信信号を移動させれば、ウィンドーｗ（ｔ−１）内の信号は移動後に完全に重なるようになり、位相差が０になる。移動後に計算されたｗ（ｔ）内の信号の遅延時間をτ_２とする時、τ_２は移動前の遅延時間τ（ｔ）より小さくなる。これにより、受信信号間の相関度が高くなりノイズの減少効果を得ることができ、位相差も少なくなりエイリアシングの発生を防止することができる。

データの移動後に２番目のウィンドー（ｗ（ｔ））で計算された遅延時間τ_２は、既に推定された遅延時間τ_１だけ移動した後の遅延時間であるので、移動後の遅延時間τ_２まで考慮すれば、最終遅延時間はτ_１＋τ_２に基づいて計算される。即ち、ウィンドーｗ（ｔ）内の圧縮前、圧縮後の信号の遅延時間τ（ｔ）をそのまま反映して映像を形成せず、相対的に誤差が小さな、対象体の深さが相対的に浅い領域であるウィンドーｗ（ｔ-1）内の信号の遅延時間τ_１にτ（ｔ）より小さくなった遅延時間τ_２を反映して映像を形成する。言い換えれば、非相関度が大きなτ（ｔ）に代わって、相対的に非相関度が少ないτ_１及びそれに対する遅延時間τ_２を反映して映像を形成する。

信号の移動に応じて圧縮前の信号は式１１で表現することができる。

式１２に示されているように、ウィンドーｗ（ｔ）の遅延時間τ（ｔ）はウィンドーｗ（ｔ−１）の遅延時間τ（ｔ−１）とそれに対する差を反映し、即ち瞬時周波数ω_Ｂ（ｔ）を付加することによって、固定された周波数を用いることによって生じる誤差を減らすことができ、一つの信号を移動して遅延時間を計算することによって非相関度の影響を減少させることができる。

以下、図４及び図５を参照して、弾性映像信号の非相関度を減少させて超音波映像を形成する過程を説明する。

図４に示されているように、ＲＦデータを復調した基底帯域の複素信号からなるデータフレームを形成し（Ｓ１００）、複素信号を正規化させ（ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）（Ｓ２００）、変形率計算（Ｓ３００）を行った後、中間値のフィルタ処理（４００）、平均フィルタ処理（５００）、対数圧縮（Ｓ６００）、パーシスタンス（７００）を適用してストレインイメージを形成する（Ｓ８００）。前記データフレームは圧縮前、圧縮後の信号を含む。

図５を参照して変形率の計算（Ｓ３００）をより具体的に説明する。

まず、非相関度を減少させる対象領域及び前記対象領域に隣接した基準領域を定める（Ｓ３１０）。前記対象領域及び基準領域は、それぞれ図３のｗ（ｔ）及びｗ（ｔ−１）とすることができる。

前記基準領域で遅延時間推定値を設定する（Ｓ３２０）。遅延時間推定値は自己相関を用いて計算した位相の差異で定める。

推定された遅延時間だけ対象領域の圧縮前の信号または圧縮後の信号を移動する（Ｓ３３０）。

次いで、対象領域の相関度を計算する（Ｓ３４０）。図面において‘Ｌ’は自己相関を計算するのに用いるウィンドーの長さを示す。

次に、位相差及び瞬時周波数を計算する（Ｓ３５０）。位相差はＳ３２０で用いた方法と同じ方法で計算する。

以後、位相差及び瞬時周波数に基づいて、遅延時間を計算する（Ｓ３６０）。ここで計算された遅延時間は次のウィンドーで信号の移動に用いる遅延時間の推定値として用いられる。

段階Ｓ３４０〜段階Ｓ３５０で前述した式を用いて相関度、位相差及び瞬時周波数を計算する。例えば、段階Ｓ３３０で圧縮前の信号を移動させたとすれば、移動した圧縮前の信号の式１または式３で表現され、圧縮後の信号は式２または式４で表現される。移動した圧縮前の信号と圧縮後の信号の位相差は相関度計算から式５のように表現され、位相差及び瞬時周波数は式６〜式９を用いて計算することができる。段階Ｓ３６０で、式１２によって基準領域の遅延時間に対象領域の瞬時周波数（位相の微分）を反映して 遅延時間を計算する。

圧縮前と圧縮後の超音波受信信号を示すグラフである。 遅延時間計算のための遅延信号のモデルを示す概略図である。 隣接するウィンドーの圧縮前、圧縮後の超音波受信信号を示すグラフである。 推定された遅延時間だけ移動した圧縮後の信号を圧縮前の信号と共に示すグラフである。 本発明による弾性映像処理過程を示す順序図である。 本発明による弾性映像処理過程を示す順序図である。

符号の説明

１０１ トランスデューサ
１０２ 圧縮前の超音波受信信号
１０３ 圧縮後の超音波受信信号
１０４ ｗ（ｔ−１）は時間（ｔ−１）における遅延時間計算のためのウィンドー
１０５ ｗ（ｔ）は時間（ｔ）における遅延時間計算のためのウィンドー
１０６ データ移動前のウィンドーｗ（ｔ−１）の推定遅延時間値
１０７ データ移動前のウィンドーｗ（ｔ）の推定遅延時間値

Claims (5)

1. 圧縮されていない対象体から反射された超音波信号から得られた第１受信信号と、圧縮された対象体から反射された超音波信号から得られた第２受信信号−前記第１受信信号及び第２受信信号の間の遅延時間は対象体の深さによって変わり、第１受信信号及び第２受信信号は多数の領域に分割される−の入力を受ける段階と、
   第１領域において前記第１受信信号と第２受信信号との間の第１遅延時間を推定する段階と、
   前記第１領域に隣接した第２領域の前記第１受信信号及び前記第２受信信号のうち選択されたいずれか一つを前記推定された第１遅延時間だけ移動させる段階と、
   前記移動が完了した後、前記第２領域内で相関度を用いて移動した信号と移動していない信号との間の第２遅延時間を計算する段階と、
   前記推定された第１遅延時間及び前記計算された第２遅延時間に基づいて前記第２領域で前記第１受信信号と前記第２受信信号の第３遅延時間を計算する段階と、
   前記第３遅延時間に基づいて前記対象体の超音波映像を形成する段階とを備える超音波映像形成方法。
2. 前記第１領域は、前記第２領域より相対的に対象体の深さが浅い領域に対応する、請求項１に記載の超音波映像形成方法。
3. 圧縮されていない対象体から反射された超音波信号から得られた第１受信信号と、圧縮された対象体から反射された超音波信号から得られた第２受信信号−前記第１受信信号及び第２受信信号の間の遅延時間は対象体の深さによって変わり、前記第１受信信号及び第２受信信号は多数の領域に分割され、前記第１受信信号及び第２受信信号は位相関数で表現される−を得る段階と、
   第１領域において第１受信信号と第２受信信号の位相差から第１遅延時間を推定する段階と、
   前記第１領域に隣接した第２領域の前記第１受信信号及び前記第２受信信号のうち選択されたいずれか一つを前記推定された第１遅延時間だけ移動させる段階と、
   前記移動が完了した後、前記第２領域内で相関度を用いて移動した信号と移動していない信号との間の相関度を求める段階と、
   前記相関度から前記移動した信号と移動していない信号との間の第２遅延時間を計算する段階と、
   前記第１受信信号と前記第２受信信号のうちのいずれか一つの位相関数を微分して瞬時周波数を求める段階と、
   前記推定された第１遅延時間、前記計算された第２遅延時間及び前記瞬時周波数を用いて前記第２領域内で第１受信信号と第２受信信号の第３遅延時間を計算する段階と、
   前記第３遅延時間に基づいて前記対象体の超音波映像を形成する段階とを備える超音波映像形成方法。
4. 前記瞬時周波数は、対象体の深さによって変わる周波数である、請求項３に記載の超音波映像形成方法。
5. 前記第１領域は、前記第２領域より相対的に対象体の深さが浅い領域に対応する、請求項３に記載の超音波映像形成方法。

Images